Den Første Klokken I Amerika Mislyktes, Og Det Bidro til å Revolusjonere Fysikk

For nesten hele tre århundrer, den mest nøyaktige måten at menneskeheten holdt styr på tiden var gjennom pendel klokke. Fra sin tidlige utvikling i det 17. århundre til oppfinnelsen av quartz ur på 1920-tallet, pendel klokker ble stifter av husholdningenes liv, slik at folk til å organisere sine tidsplaner i henhold til en universelt akseptert standard., Først oppfunnet i Nederland av Christian Huygens hele veien tilbake i 1656, deres tidlige modellene ble raskt raffinerte å øke sin presisjon.

Men når den første pendel klokke ble brakt til Amerika, noe bisarre skjedde. Klokken, som hadde jobbet godt på å holde nøyaktig tid i Europa, kunne bli synkronisert med kjente astronomiske fenomener, som solnedgang/soloppgang og går ned/månen. Men etter bare en uke eller to i Amerika, og det var klart at klokken var ikke å holde tiden på riktig måte., Den første klokken i Amerika var en fullstendig fiasko, men det er bare begynnelsen på en historie som ville revolusjonere vår forståelse av fysikk av planeten Jorden.

For tusenvis av år, forskere hadde ingen bedre metode for å holde tid enn den gamle solur. Men starter i begynnelsen av 1600-tallet, Galileo undersøkelser svingende pendel — og, i særdeleshet, hans observasjon at perioden med en pendel ble bestemt utelukkende av sin lengde — førte til ideen om at en pendel kan teoretisk sett bli brukt som en klokke. Galileo diskutert ideen i 1637, og selv om han døde i 1642, ideen bodde på.,

I 1656, Christiaan Huygens oppfant den aller første arbeider pendel klokke, en som var både primitive og revolusjonerende i en rekke måter. I løpet av de neste tiårene, forbedringer ble gjort som forbedret pendel klokke ytterligere, blant annet:

• forkorte swing, slik at det bare skjedde for trange vinkler, øke nøyaktigheten,
• for å øke lengden på pendelen og sette en tung masse på slutten, noe som økte klokken sin levetid,
• standardisere en lengde på 0.,994 meter for pendelen, noe som betydde at hver «gang» fra den ene siden til den andre varte i nøyaktig ett sekund,
• og tillegg av en liten hånd, som klokker nå var nøyaktige nok, slik at deler av en time, ned til minuttet, nå var meningsfylt mengder for å diskutere.

Alle av disse nyvinningene hadde blitt gjort før 1700: en bemerkelsesverdig rekke fremskritt i løpet av kort tid. De viktigste kjente «feilkilde» som skjedde med disse pendel klokker var på grunn av temperaturendringer: lengden av pendelen vil øke eller avta i materialet de var laget av utvidet eller kontrahert med temperaturen., Ved å utvikle en temperatur-kompensert pendel — hvor lenge svinge ikke endre seg, selv når temperaturen gjorde — pendel-klokker kan være nøyaktig og i løpet av bare få sekunder per uke. Den første Amerikanske-bygget klokken ikke ville oppstå i mange tiår etter at forhånd, og så den første Amerikanske forhold enheter ble importert.

Som er grunnen til at det ble slik et puslespill når den første pendel klokke ble brakt fra Europa til Amerika. Klokken bygget og kalibrert i Nederland, var utsøkt nøyaktig., Solnedgang/soloppgang og går ned/moonrise ganger var nøyaktig uker, med stigende stjerner og innstilling innen et minutt av den forventede tiden uten noen kalibrering for omtrent en hel måned. Men når klokke som kom til Amerika, var såret, og begynte å tikke, alt begynte å gå galt.

Innenfor en enkelt uke, la folk merke til at Solen og Månen var ikke står opp eller går på spådd ganger, i henhold til denne nye klokke. Videre misforholdet var verre med hver dag., Mens klokken var ment for å være nøyaktig — på den tiden — å innen ca 2 sekunder per dag, eller ca 15 sekunder per uke, det var som kjører sakte med mer enn 30 sekunder per dag. Ved slutten av den første uken, det var av med nesten 5 minutter.

Klart, de konkluderte med, klokken må ha lidd noen skade under den trans-Atlantiske reise som var nødvendig for å transportere klokke fra Europa til Amerika. Så gjorde de det eneste de visste hvordan å gjøre: de sender klokken tilbake til produsenten for reparasjon., Etter annet trans-Atlantiske reise, hvor klokken var kommet tilbake fra Amerika til Nederland. Når det kom, de såret klokken observert sitt merke, og sammenliknet det med alle andre måter de visste av å holde tid: til andre klokker, for å sundials, og til stiger og innstilling av himmellegemer.

innenfor 2 sekunder per dag, klokken var helt nøyaktig.

Dette frustrerende opplevelse er kjent for alle som har noen gang vært i en situasjon der bilen din er å gjøre noe du vet det ikke burde være å gjøre: å lage en morsom lyd, håndtering av feil, blir for varmt, etc., Du oppdager problemet, kan du ta det med til en mekaniker, og så snart du ankommer mekaniker, bilen begynner å oppføre seg som om ingenting er galt. Den allestedsnærværende problem at du har vært inne hele tiden plutselig løser seg når du kommer til den ene personen som kunne diagnostisere og fikse det. Likevel, så snart du kjøretur unna, er det uunngåelig begynner å ha det problemet igjen.

Hvis de hadde sende denne klokken tilbake til Amerika fra Europa, ville de ha sett akkurat det samme fenomenet oppstår., Klokken — som holdt utsøkt nøyaktig tid i Europa — ville ha begynt å kjøre på feil pris i Amerika igjen. Av den grunn ville ha vært helt ukjente for alle som bor i den tiden av Galileo, men det begynte å gi mening når vi begynte å forstå hvordan gravitasjon arbeidet.

Her på Jorden, gravitasjonskraft er det som driver den svingende av en pendel. Hvis du vil flytte en pendel bare litt vekk fra sin likevekt posisjon, tyngdekraften er det som trekker det tilbake mot likevekt posisjon., Det er sant at perioden med pendelen er knyttet til lengden av pendelen: hvis du ønsker å doble den perioden du trenger å firedoble lengden. (En pendel som er 0.994 meter lang tid det vil ta to sekunder for å gå tilbake til sin startposisjon; en pendel som er 0.2485 meter lang tid det vil ta 1 sekund for å gå tilbake til sin startposisjon, en som er 3.974 meter lang tid det vil ta 4 sekunder for å gå tilbake til sin startposisjon, etc.)

Men vi feilaktig antatt, før Newton kom, at tyngdekraften jobbet på samme måte overalt på overflaten av Jorden., Men måten gravitasjon fungerer på, er at det tiltrekker deg til sentrum av Jorden, likesom hele massen av planeten som tiltrekker deg. Fordi Jorden spinner på sin akse, den buler på sin ekvator og blir komprimert ved polene. Effekten er liten, men fortsatt betydelig, og det betyr at noen på et av Jordens poler er nærmere til sentrum av Jorden enn noen ved ekvator.

Hvis du har noen gang tatt en fysikk-klasse, du kan ha lært at alle objekter akselerere «nedover» på 9,8 m/s2 under påvirkning av tyngdekraften, noe som betyr at hvis du slipper en gjenstand fra resten og omsorgssvikt luftmotstand, så vil det øke hastigheten, i nedadgående retning, med 9,8 m/s (ca 32 meter per sekund) for hvert sekund som det faller., Og det er sant! Uansett hvor du går, på overflaten av Jorden, vil ha den samme akselerasjon nedover, mot Jordens sentrum: 9,8 m/s2.

Men det er fortsatt ikke sant hvis du går til den tredje betydelige figur: hva er ofte sitert som 9.81 m/s2. Ved polene, der du er nærmest til Jordens sentrum, gravitasjonsakselerasjonen er litt større enn gjennomsnittet: 9.83 m/s2. Ved ekvator, der du er lengst fra Jordens sentrum, gravitasjonsakselerasjonen er litt mindre enn gjennomsnittet: 9.78 m/s2. Disse effektene er små, men over lang nok tid, vil de legge opp.,

Selv om vi tror vi er av de mest befolkede områdene i Europa og Nord-Amerika for å være på omtrent samme breddegrader, det er ikke helt tilfelle. Amsterdam, er den mest folkerike byen i Nederland, er på 52° N breddegrad. Boston, som var den største byen, og så langt nord som det var i sør-Amerika, er en full 10° lenger sør: ved 42° N breddegrad. Andre store befolkningssentra i Amerika var enda lenger sør, nærmere ekvator, forverrer at forskjellen.,

Høyde endringer kan også gjøre en forskjell, med lavlandet steder i nærheten av polakkene som har det høyeste akselerasjoner på Jorden opp til 9.834 m/s2, mens høye fjellkjeder nær ekvator føre til laveste målte akselerasjon: 9.764 m/s2. Imidlertid, breddegrad problemet er spesielt viktig når det kommer til å komme presis, og vi kan se er dette bare ved å gjøre en enkel beregning.

La oss tenke oss at vi har bygget en pendel klokke hvor pendelen er akkurat 0.994 meter i lengde: hva er kjent som et sekunder pendel., Hver halvdel-swing av pendelen skal ta nøyaktig 1 sekund, og siden vi vet at det er 86,400 sekunder i en 24 timers dag, vet vi — i teorien — hvordan å måle en dag. Her er hvor godt vil vi gjøre ved å måle 43,200 svinger av denne pendelen, avhengig av våre lokale verdien av Jordens akselerasjon:

Riktig kalibrere en pendel klokke — som vi nå vet — betyr at den har riktig lengde for gravitasjonsakselerasjonen på sin spesielle beliggenhet.,

pendel klokke, uten tvil, var den første eksperimentelle indikasjon hadde vi gravity er ikke uniform over overflaten av Jorden. Selv før fremskritt av Isaac Newton, det var kjent som en pendel — hvis swing er liten, luftmotstand er ubetydelig, og temperaturen og lengden forblir konstant — alltid tar like mye tid til å fullføre en full gang., Men tiden det tar pendelen til å svinge varierer over overflaten av Jorden, ikke bare med lengde, men med to andre faktorer: høyde over havet og breddegrad.

Det var en stor tips mot et faktum at vi nå tar for gitt: at gravitasjonsfelt tiltrekning fra Jorden avhenger av avstanden til planeten vår ‘ s center, snarere enn å være ensartet over hele overflaten. Det faktum at Jorden roterer om sin akse, og at rotasjon fører til ekvator til å bule i forhold til polene, og betyr at en pendel tar lengre tid å fullføre en svingning som tyngdekraften blir svakere., Noen pendel klokke, derfor, må være kalibrert til gravitasjonsfelt av nøyaktig hvor du er. Den første klokken i Amerika var en spektakulær demonstrasjon av denne effekten, med den underliggende årsaken er loven om tyngdekraften seg selv!